穩定桿連桿球頭銷裝配斷裂分析及改善

王泉勝 柴明軍 章云峰

摘要： 在裝配過程中，因過高的螺紋擰緊扭矩導致穩定桿連桿球頭銷斷裂，通過建立預緊力與等效應力的關系式，繪制不同摩擦系數下的預緊力-扭矩圖及關聯的等應力曲線，以此找出正確的緊固扭矩，達到最佳的裝配質量，并為類似部件及螺栓產品設計及裝配工藝設計提供參考。

Abstract： In the process of assembly， the ball head pin of stabilizer rod connecting rod was broken due to excessive screw tightening torque. By establishing the relation between pretightening force and equivalent stress， the pretightening force-torque diagram and the associated isometric stress curve under different friction coefficients were drawn， so as to find out the correct fastening torque and achieve the best assembly quality. It also provides reference for the design of similar parts and bolts and assembly process design.

關鍵詞： 球頭銷;預緊力-扭矩圖;等效應力;摩擦系數

Key words： ball pin;preloading force-torque diagram;equivalent stress;friction coefficient

中圖分類號：U469.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）17-0039-03

1? 概述

穩定桿連桿球頭總成是汽車底盤穩定系統的重要組成元件，與穩定桿一起在汽車行駛過程中保持車輛穩定性、舒適性發揮重要的作用。穩定桿連桿球頭總成通常通過球頭銷螺紋一端連接在穩定桿上，另一端連接在懸架上，如圖1穩定桿連桿球頭總成安裝位置中標記2所示。在穩定桿連桿球頭總成螺紋裝配時采用的是扭矩法進行控制。通常扭矩法控制因其操作簡單和易于監測而被廣泛采用。但長期發現，穩定桿連桿球頭總成在基于扭矩法控制裝配過程中存在扭矩扳手力矩打不響，隨即出現球頭螺紋滑牙，螺紋拉伸甚至斷裂的情況，質量隱患很大。故對穩定桿連桿球頭銷的螺紋斷裂分析及改善有十分必要的現實意義。圖2是出現在某汽車廠在裝配車間裝配穩定桿連桿球頭總成時，扭矩扳手力矩打不響，不斷擰緊過程中，球頭銷螺紋斷裂。現場反饋當時扭矩扳手設定值為80N·m。穩定桿連桿球頭總成的球頭銷螺紋規格M10X1.25-6g，材質為40Cr，材料調質硬度為（28-34）HRC，螺紋強度參照國家標準GBT3098.1-2010，規定的9.8級要求。本文通過此案例的斷裂分析，確定過大的扭矩是導致過載應力的主要來源。同時螺栓的預緊力-扭矩力矩圖能幫助我們設計螺栓時的緊固扭矩[1]，故基于預緊力-扭矩圖，結合摩擦系數的影響，并在預緊力-扭矩圖上進一步繪制等應力曲線，以此找出最佳的緊固扭矩，給類似部件的螺紋設計、裝配工藝設計以及許用力矩校核提供參考。

2? 球頭銷螺紋斷口分析及結果

對上述穩定桿連桿球頭總成在裝配時發生球頭銷擰斷，對斷裂件進行如下檢測分析：

①對斷裂件進行拼接，進行宏觀評價，如圖2球頭銷斷裂示意圖右圖所示，對斷裂件進行拼接，很明顯觀測出斷裂區存在頸縮變形。而根據材料力學可知當應力到達強度極限后，使局部橫截面收縮，形成了所謂的頸縮現象。[2]②斷口電鏡觀測微觀形貌，檢測設備為掃描電子顯微鏡FEI inspect s50。通過觀測，如圖3斷口SEM形貌所示，斷口1區2區3區微觀整體呈現韌窩形貌，斷面區域未發現明顯疏松缺陷。③斷口附近材料金相顯微組織觀測，檢測設備為金相顯微鏡ZEISS Axio Imager A2m，進行500X倍顯微觀測，如圖4顯微組織（500X，4%硝酸酒精溶液浸蝕）所示，檢測結果為調質回火索氏體1級。④對螺紋進行脫碳檢測，檢測設備為金相顯微鏡ZEISS Axio Imager A2m，進行100X顯微觀測，圖5脫碳形貌（100X，4%硝酸酒精溶液浸蝕）所示，通過觀測，螺紋沒有發現脫碳層。⑤對球頭螺桿部硬度檢測，檢測值為31.5HRC。⑥對斷裂球頭銷進行化學成分檢測，所有元素均符合GB/T3077標準的40Cr鋼的要求。

綜合以上檢測，可以得出以下兩點結論：①從宏觀形貌、掃描電鏡微觀形貌可以判斷本案斷裂為典型的塑性斷裂，斷裂過程中為經受較大應力后發生屈服變形，最后因過載斷裂;②從金相顯微組織、螺紋脫碳、硬度、化學成分等檢測結果可以判定球頭銷材質符合技術要求及GBT3098.1-2010，規定的9.8級相關要求。

3? 球頭銷緊固過程的應力與校核

針對球頭銷裝配過程產生的較大應力并出現屈服現象，對此需要進行受力分析與校核。對失效件進行模型建立，如圖6穩定桿連桿球頭總成裝配連接所示，穩定桿連桿球頭銷穿過穩定桿？準10.5通孔，與M10X1.25鎖緊螺母螺紋緊固。在擰緊過程中設定需要施加緊固扭矩Tf，在彈性區內緊固扭矩Tf與預緊力Ff有如下關系式[3]

球頭銷螺紋摩擦系數μs及支撐面摩擦系數μW按實測值，實測數據見表1球頭銷螺紋摩擦系數，中1號件與2號件為表面涂防銹油狀態，與斷裂件出廠狀態一直，故可以按1號件測試數據，其余與尺寸有關的參數根據圖6穩定桿連桿球頭總成裝配連接圖中的設計尺寸。

球頭銷（螺栓）在與螺母擰緊時，螺紋的牙根處除受拉應力σf的影響外，還要受螺紋副的螺紋阻力矩Ts引起的剪切應力τ的影響。球頭銷的材質屬于延性材料，可根據剪切應變能學說[4]，有

在本案中裝配緊固扭矩Tf=80N·m結合（4）式、（6）式與（9）及（10）式，計算得σν=935.57MPa。

根據GB/T3098.1表3螺栓、螺釘和螺柱的機械和物理性能，對應9.8及球頭銷螺紋的屈服應力σ0.2=720MPa，σν計算結果不滿足（11）式。故得出球頭銷在80N·m緊固扭矩進行裝配時，其等效應力σν大于屈服應力σ0.2，超出最大許用極限。也正因為此，球頭銷出現拉延局部頸縮變形，最終過載斷裂。與本案故障件實際表觀吻合。

4? 球頭銷緊固扭矩正確選擇與驗證

從上面分析結果可知，要解決球頭在裝配過程中不導致斷裂，必須選用合適的裝配緊固扭矩，且選用的緊固扭矩作用下，產生的等效應力低于球頭銷材料屈服應力。 隨著預緊力不斷增加，等效應力達到屈服強度之后，球頭銷螺紋尺寸發生變化，預緊力-扭矩圖會出現非線性現象，這不是我們所需要的，故繪制正確的繪制預緊力-扭矩圖，需考慮出現屈服前對應的預緊力，這個預緊為屈服預緊力Fty。正確的預緊力-扭矩圖曲線還需同時滿足（1）式與（12）式Ff？燮Fty（12）

為了計算Fty，必須建立預緊力與等效應力關系。由（3）式、（5）式、（8）式、（10）式可得

根據（13）式，對于確定的螺栓，摩擦系數及幾何參數均已確定，那么當等效應力σν達到最大許用值σ0.2時，此時的Ff達到最大值Fty，故（13）式可為

往往在實際的設計及校核時，應考慮一定的許用系數ν。在汽車行業許用系數ν一般取值0.9[5]，即當等效應力σν=0.9σ0.2時，作為設計考慮的罰點，在此應力下的預緊力Ff值記為Ff0，故（13）式又可為

根據（14）式，（15）式，通過計算可以分別求出不同摩擦系數的預緊力-扭矩圖曲線上對應的等效應力σν=σ0.2與等效應力σν=0.9σ0.2時的預緊力Fty與Ff0，將不同摩擦系數的曲線上的Fty與Ff0連接成線。由于在這條曲線上，獲得的等效應力是相同的，故可以作為等應力曲線，由此得到新的等應力曲線-預緊力-扭矩圖，見圖7等應力曲線-預緊力-扭矩圖（等級9.8，M10X1.25，dw=19.6mm，dh=10.5mm）。

由圖7可知，σν=σ0.2等應力曲線上對應的不同摩擦系數下的預緊力，當預緊力超出σν=σ0.2等應力曲線，則材料發生屈服，球頭銷在裝配過程中出現擰斷失效的風險很大;而選擇預緊力在σν=0.9σ0.2等應力曲線上對應的預緊力，相對安全。基于本案為例，摩擦系數μb范圍0.09-0.15，當摩擦系數為最小摩擦系數0.09時，在等效應力σν=0.9*σ0.2的等應力曲線上，對應可求知Tf力矩為61.7N·m。在等效應力σν=σ0.2的等應力曲線上，對應可求知最大緊固力矩Tfmax為68.6N·m。當摩擦系數為最大摩擦系數0.14，在等效應力σν=0.9*σ0.2的等應力曲線上，對應可求知Tf力矩為99.9N·m。很顯然，按Tf=99.9N·m時設計緊固力矩時，對于較小摩擦系數的螺紋來說，其等效應力σν已經遠遠超出材料屈服應力σ0.2，故在實際裝配工藝設計時，應按最小摩擦系數進行計算。在本案中可以進行規整Tf=60N·m作為裝配工藝緊固扭矩規范的基準。按擰緊精度Ⅰ級，扭矩離散度±5%[6]計算扭力公差值為±3N·m，故本案擰緊工藝設計值為Tf=60N·m±3N·m。經5+50+200臺試裝及6個月觀察跟蹤，沒有發現該穩定桿連桿球頭總成裝配時出現力矩打不響及斷裂的事故。證明裝配緊固扭矩規范有效。從圖7又可知，摩擦系數對緊固力矩影響非常大。摩擦系數波動范圍越小，擰緊扭矩選定后，那么獲得預緊力波動范圍就小，顯然越有利于擰緊質量的一致性與可靠性的控制。這也需要以實際裝配要求對摩擦系數及波動范圍進行合理限定。

5? 總結

對穩定桿連桿球頭銷裝配的斷裂分析及最后的糾正措施實踐，可以作出以下總結：①結合等應力曲線的預緊力-扭矩圖能直觀準確的對緊固扭矩作出選擇或評定，可以為類似部件及普通緊固件產品設計及螺紋裝配工藝設計提供參考;②設計或校核緊固扭矩時應以摩擦系數在波動范圍區間的最小值進行計算;③摩擦系數對緊固扭矩影響較大，在設計螺紋摩擦系數時范圍需要限定，且越小越好。

參考文獻：

[1]劉建文.螺栓預緊力─扭矩圖及其應用[J].汽車工藝與材料，2001（7）：5-8.

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